這5種東西似乎不可能存在，但其實並不違反物理學

54 人贊了文章

原創：Gilead Amit

編譯 七君

愛因斯坦的廣義相對論預言了蟲洞的存在。蟲洞是連接宇宙不同時空的快捷方式，有了它就能實現星際旅行，甚至時空穿梭。雖然從沒有人看見過蟲洞，但是關於蟲洞和時空穿梭的討論一直沒有降溫。

和蟲洞一樣，有一些看起來似乎不可能存在的東西實際上並不違反物理學，物理學甚至還能證明其中的一些是可能存在的。

永動機

▲ 達芬奇設計的永動機

幾個世紀以來，在沒有外界提供能量的情況下，一直運動下去的機械一直是許多發明家的夢想。達芬奇就曾經設計過幾款旋轉的永動機。愛爾蘭自然哲學家羅伯特·波義耳也想像過一個給自己供能的漏斗狀永動機。法國數學家布萊茲·帕斯卡似乎對永動機早有懷疑，他轉而設計了博彩遊戲中常見的輪盤。

▲ 波義耳設計的永動機

但是後來物理學家們發現，大型永動機違反物理學，尤其是熱力學的鐵律，因此是不可能存在的。然而諾貝爾物理學獎獲得者弗朗克·韋爾切克卻設計出了一種「時間晶體」，這種晶體可以在沒有外力的情況下永遠保持振蕩。

▲ 弗朗克·韋爾切克

今年年初，2支不同的科研團隊製造出了時間晶體。雖然這看起來很不可思議，但是一些物理學家認為時間晶體是一種合理的永動機形式（不過我們不能從這種時間晶體中提取能量，所以沒有違反物理學的定律）。許多研究人員依然在探尋時間晶體的重要意義。

傳送門

你希望家裡有扇神奇的門，能夠把你送到地球的另一邊嗎？這種科幻片里的裝置其實並不違反物理學。

物理學家加來道雄在2008年的著作《電影中不可能的物理學》（Physics of the Impossible）一書中把傳送門成為「一級不可能物體」，也就是說這種東西在理論上可以製造，甚至在我們的有生之年就可能會出現。

▲ 加來道雄

實際上，傳送門可能已經出現了。一些亞原子粒子的運動就符合傳送門的特徵。比如愛因斯坦口中的「鬼魅般的超距作用」——量子糾纏現象就可以讓信息和量子態瞬間傳到宇宙中的其他地方。

物理學家們在1997年做過史上第一個量子隱形傳態實驗，他們讓一個光子的量子態被傳送到10多厘米開外的另一個光子上。目前，量子隱形傳態的記錄已經超過了100千米。

▲ 西非的加那利群島是進行天文學觀測的好地點。 La Palma山（左）和Tenerife山（右）相距143千米，利用這兩座山上的裝置實現了距離為143千米的量子隱形傳態。圖片來源：解析度圖像光譜儀（MERIS）

隱身衣

哈利波特的隱身衣可以讓穿著它的人瞬間消失。科學家把製造隱身衣的材料叫做超材料，他們認為這種材料是存在的，隱身衣也可以被製造出來。

超材料隱身衣的原理其實很簡單：讓光波像繞過石頭的水流一樣繞過被隱身衣覆蓋的物體，然後傳播到你的眼中。在實際操作中，需要研發出全新的納米結構材料才能讓光線以這種奇異的方式彎折。

▲ 用超材料製造的隱身衣可以使光線彎折後到達觀察者的眼睛

2000年的時候就有人製造出了超材料，後來陸續有人製造出了隱身設備。最近科學家們認定，人體那麼大的隱身衣是造不出來的。不過這也不算什麼大損失，因為我們現在只能讓特定波長的光彎折，所以目前的隱身設備看起來顏色比較詭異，反而讓它們更引人注目。

▲ 2006年杜克大學的David Schurig和同事用超材料製造的環形隱身衣

但是這些隱身衣的技術可以被用到別的地方，比如使地震波彎折，保護城市不受地震的影響。

負溫度

有一個物理學的笑話是這麼說的：如果你想要在這個宇宙里好好活命，最好遵循下面這些物理定律：別超光速旅行、別被零除，也別把任何東西的溫度降到絕對零度以下。

絕對零度大約等於零下273攝氏度。在絕對零度，理論上原子會停止運動。因此負溫度看起來是不可能的。物理學家也在今年年初證明，你根本到不了絕對零度。

絕對零度到不了，但是負溫度卻可能實現。這科學嗎？根據嚴格的熱力學定義，溫度描述的是秩序：物體內部越有秩序，它的溫度就越低。

▲ 藝術家對5種不同的玻爾茲曼分布的氣體的描繪。從左到右：溫度比絕對零度高一點點；溫度大於絕對零度；溫度為無窮大（或無窮小，因為2者在物理上的意義是一樣的）；負溫度；比絕對零度小一點點。

圖片來源：http://quantum-munich.de

在2013年，慕尼黑大學的物理學家利用了這種溫度的定義，使一些原子的溫度降至接近絕對零度以下。從溫度的定義上看他們創造出的東西的確有負溫度，沒毛病。

這種負溫度物質看起來沒什麼用，但是科學家們想用它們來研究暗能量這種宇宙中神秘的能量，因為一些物理學家提出暗能量具有負溫度。

自己就是自己的反物質的物質

一般來說，當物質接觸到它的對手——反物質的時候就會兩兩湮滅，然後放射出能量。我們所在的宇宙有大量的物質，但是神奇的是暗物質卻行蹤詭秘。

物理學家的理論又一次超出了我們的想像。在理論中，一些物質同時也可以是自己的反物質。有一種叫做馬約拉納費米子（Majorana fermion）的就是自己的反物質，在正確的條件下，它可以讓自己湮滅。

▲ 馬約拉納費米子漂浮在費米海的表面上。馬約拉納費米子是自己的反物質。

圖片來源：Alexey Drjahlov

物理學家們以前認為中微子也是一種這樣的物質，不過證據卻不好找啊，因為中微子自己湮滅的事件十分罕見，大概每10的26次方年（100萬億的1萬億倍）才會發生一次。

但好在在實驗室里科學家們也常常發現類似的現象。當超導體中失去一個電子的時候就會留下一個空洞，這個空洞的行為卻像帶正電的粒子（電子帶一個負電荷），而且質量還和電子一樣。如果這個空洞和電子相遇，理論上它們的行為就會和馬約拉納費米子一樣。

不過癮？關注微信公眾號：「把科學帶回家」，有趣的科普一網打盡！